壳聚糖类造纸助剂的作用机理及行业应用进展

随着国民经济的发展和人民生活水平的提高，纸及纸制品的需求发生了明显的改变，特种纸、加工纸、高档纸供不应求，国家花费大量的外汇进口这类产品。为了改变这种状况，行之有效的方案之一是研制、开发相应的造纸化学品。当前广泛使用的造纸湿部助剂主要有合成高分子和天然高分子，前者虽然具有许多优势，如成本低、性能独特等，但基本上均为石油下游产品，而现存的石油资源短则数十年、长则一百年左右将会枯竭；而且这类合成高聚物绝大多数都不能生物降解，有的甚至有毒性，对生物、生态有不利的影响。显然，科学的发展观直接影响新型造纸助剂的开发领域。天然高聚物以其可再生、无毒、生物相容、环境友好、来源丰富，性能优良等特性，日趋受到人们的青睐，正逐步取代合成聚合物。 　　工业上常使用的天然高聚物主要有淀粉及其改性物、纤维素及其改性物、瓜尔胶及其改性物、蛋白质及改性物，但普遍存在着用量大、效果欠佳等不足，如淀粉作内部添加剂在纸张上留着性能差、易产生沉积等。而分子结构与纤维素极其相似、易改性的壳聚糖则早已被造纸化学品研究人员中的有识之士所关注。 　　近年来，国内外对甲壳素及其衍生物在造纸业中的开发利用的研究非常活跃；其中，日本的研究最广泛，包括纸张施胶、增强、助留助滤、整饰和造纸废水处理，以及以壳聚糖为主要组分抄造特种纸等，申请了大量的专利，并有许多成熟的工业产品问世。我国近期也有一些机构从事该项研究工作，主要集中在增强、助留助滤、特种纸上，发展势头良好。 　　为使读者了解这一方面的新近研究和发展方向，本文在总结前人工作的同时，结合笔者近期研究的结果，就壳聚糖及其衍生物在造纸工业上的各类应用及作用机理作一综述。 　　1.壳聚糖及其衍生物在造纸工业中的应用 　　壳聚糖及其衍生物能与纤维素强烈作用，是一种性能优良的造纸助剂，迄今发表的大量有关的研究报道及专利文献，几乎涉及到造纸工业的各个工序。 　　1.1表面施胶剂或辅助施胶剂 　　草类纤维抄造出的纸张品质一般较差，壳聚糖强度高，成膜性好，与纤维素间的作用大，因而壳聚糖作草浆纤维纸张的表面施胶剂更有实际意义，可大幅度改善纸张性能。0.1~1g/m2壳聚糖涂布于成纸表面上，能提高纸张的表面强度、柔软性及印刷性能。加入N一烷基壳聚糖纤维于硫酸盐浆中，抄造出的纸张有高的撕裂度、耐折度。与松香胶相比较，壳聚糖作表面施胶剂时，有更高的干湿强度、耐破度、撕裂度，印刷性能、耐水性能及电绝缘性能。新闻纸、印刷纸、地图纸用、（氰乙基壳聚糖）=1％表面处理，在不影响光泽度的前提下，能提高裂断长、耐破度、耐折度等，而且适合于多种浆料所抄纸张，可作为半化学浆、亚硫酸盐浆、硫酸盐浆、棉纤维、亚麻纤维纸张的表面施胶剂。 　　壳聚糖与淀粉或聚乙烯醇共混，也可作为表面复合施胶剂使用，质量比为1：9~9：1，以10％的比例作纸张表面施胶剂，纸张的撕裂度和断裂长可提高0.75~1倍；壳聚糖／氧化淀粉共混，对双面胶版纸、铜版纸、晒图纸、静电复印纸表面施胶，可明显提高纸张的力学性能、印刷适性、染色鲜艳性。壳聚糖及其衍生物也可用于浆内施胶剂的增效。用烷基二烯酮（AKD）施胶时，在浆料中加入w［壳聚糖（醋酸或盐酸溶液）］=0. 1％~0.4％，与环氧氯丙烷聚酰胺树脂（PAE）比较，能有效提高AKD的留着率、填料的留着率及施胶度。这是由于加入到浆料中，壳聚糖阳离子被吸附到阳性AKD乳胶的阴离子部位，使AKD乳粒带上了正电荷，可与带负电荷的纤维吸附，从而提高了AKD的留着率。 　　用w（AKD）=0.05％或w［烯基唬珀酸酐（ASA）］=0. 01％施胶时，加入（壳聚糖）=0.5％，w（羧甲基纤维素）=1％或w（羧乙基纤维素）=1％时，均可提高胶料的留着率，施胶度都可达到38 s。 　　1.2纸张增强剂 　　理想的增强剂通常应具备一定的条件：（1）线型水溶性聚合物，相对分子质量大，成膜能力强，对纤维有足够粘合强度；（2）与纤维素有好的相容性，不破坏纤维素分子间的氢键；（3）功能基团能充分接触纸纤维，且能通过离子键或氢键与之牢固结合；（4）无毒、可生物降解的天然产物。壳聚糖能满足上述条件，因而是理想的纸张增强剂。 　　壳聚糖作为纸张增强剂的作用机理有着大量的文献资料，目前一般认为它能从三个方面提高纸张的机械强度，即干强度，湿强度及初始湿强度。 　　1.2.1干强剂 　　壳聚糖加入到浆料中，首先被带负电的纤维素的表面吸附，成纸时填充于纤维之间，这种填充作用必将增大纤维间的结合面积，同时分子上的众多基团与纤维表面上的基团彼此间形成相应的化学键（氢键、离子键），在干燥过程中，水分的蒸发为壳聚糖一纤维素分子间的化学作用提供了更多的机会，即可形成更多的氢键，从而提高纸张的强度。 信息来源于：中国纸网